CFG樁處理濕陷性黃土的設(shè)計方法

李允忠，鄭假余(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250001)

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CFG樁處理濕陷性黃土的設(shè)計方法

李允忠，鄭假余
(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250001)

摘要：本文介紹了采用振動沉管CFG樁消除黃土濕陷性，并提高地基承載力的工程實例。為消除黃土濕陷性，達到樁間土擠密效果，CFG樁按照灰土擠密樁布樁原則進行設(shè)計。由于樁間距較小，為減少對相鄰樁的影響，CFG樁采用隔樁跳打原則進行施工。施工后經(jīng)過檢測，場地黃土濕陷性完全消除，承載力滿足了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：CFG樁；濕陷性黃土；地基承載力。

1　概述

水泥粉煤灰碎石樁(Cement Flyash Gravel Pile， CFG)，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等材料加水拌合而成的高粘結(jié)強度樁，屬于剛性樁，一般由樁、土和褥墊層一起構(gòu)成復合地基，由樁和樁間土通過褥墊層協(xié)調(diào)變形，共同承擔上部荷載。與樁基相比，一般工程造價較低，與碎石樁、灰土樁等散體材料樁相比，CFG樁可以全樁長發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力，當樁端落在較好的土層上時，還具有較大的端承力，可以將荷載傳遞到較深的土層。

CFG樁適用范圍較廣，一般用于處理粘性土、粉土、砂土、素填土等土層。CFG樁用于處理濕陷性黃土，主要是利用振動沉管施工工藝成樁，通過振動沉管對樁間土進行擠密，達到破壞黃土本身的結(jié)構(gòu)性，消除黃土濕陷性的目的，其原理類似于灰土擠密樁對樁間土的擠密作用。同時CFG樁本身又具有一定的強度，可以提供較高的承載力，達到改善加固深度內(nèi)的地基變形性狀，減小工后沉降的目的。

2　工程概況

某變電站工程位于濕陷性黃土地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，地層分類如下：

①黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密，層厚0.80～1.40 m，層底埋深0.80～1.40 m。

②黃土狀粘土：黃褐色，濕，可塑～硬塑狀態(tài)，有大孔隙。層厚1.00～2.20 m，層底埋深2.40～3.00 m。

③黃土狀粉土：黃褐色，濕，稍密～中密，有大孔隙，層厚2.20～4.00 m，層底埋深5.00～6.60 m。

④粉土：褐黃色，濕，中密～密實，夾粘性土薄層及砂土透鏡體，層底最大埋深為9.45 m。

土的主要物理力學性質(zhì)指標見表1。

表1　地基土主要物理力學性質(zhì)指標

根據(jù)對場地的黃土狀土的濕陷性分析結(jié)果，其濕陷性在站址區(qū)普遍分布，最大濕陷系數(shù)為0.026；濕陷類型為非自重濕陷性黃土場地；濕陷量Δs值為22.5～81.0 mm，濕陷等級為I級(輕微)，最大濕陷深度6.10 m。

3　地基處理方案

該工程地基處理，設(shè)計要求消除黃土的濕陷性，處理后地基承載力特征值不小于150 kPa。通過各種地基處理方案的經(jīng)濟技術(shù)條件必選，最后決定采用CFG樁進行地基處理。

3.1設(shè)計參數(shù)

(1) CFG樁采用振動沉管施工工藝，樁徑取為0.45 m。

(2)為消除黃土濕陷性，樁間距s按照灰土擠密樁進行設(shè)計計算，采用正三角形布置，孔心距按下式計算：

式中：s為樁孔之間的中心距離(m)；d為樁孔直徑(m)；ρd max為樁間土的最大干密度(t/m3)；d為地基處理前土的平均干密度(t/m3)；c為樁間土經(jīng)成孔擠密后的平均擠密系數(shù)，不宜小于0.93。

經(jīng)過試算，并滿足樁間距不大于2.0～3.0倍樁徑要求，最后確定樁間距取為1.10 m。

(3)樁長按照穿透濕陷土層進入非濕陷土層設(shè)計，樁端進入④層粉土0.50 m，設(shè)計樁長為5.5 m。

(4) CFG樁體設(shè)計強度為C10。

(5) 褥墊層的設(shè)計：CFG樁施工完成，清除樁頂浮漿厚度不小于200 mm后，鋪設(shè)褥墊層，褥墊層設(shè)計采用三七灰土分層碾壓密實處理，厚度300 mm，壓實系數(shù)不小于0.95。

圖1　CFG樁設(shè)計剖面和平面布置圖

3.2復合地基承載力計算

(1) CFG樁單樁承載力

單樁豎向承載力特征值Ra按照下式計算：

式中：up為樁的周長；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)；li為樁長范圍內(nèi)地i層土的厚度；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取1.0；qp為樁端端阻力特征值(kPa)；Ap為樁的截面積(m2)

樁徑為0.45 m，樁長為5.5 m計算。

表2　CFG樁單樁承載力計算

根據(jù)上述計算結(jié)果：單樁豎向承載力特征值Ra=205 kN。

(2)面積置換率 m值

式中：d為樁身平均直徑(m)；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑(m)。計算結(jié)果為： m=0.1518

(3)復合地基承載力

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.8；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.8。計算結(jié)果為：

3.3樁體強度驗算

計算結(jié)果為：σp=1.26 MPa

樁體抗壓強度：

樁體強度能夠滿足設(shè)計要求。

4　施工

CFG樁施工采用對DZ40型振動沉管打樁機成孔制樁，對于滿堂布樁, 施工順序采用從一邊向另一邊推進的方案，為減小對相鄰樁的影響，采用隔樁跳打施工工藝。

圖2　隔樁跳打施工示意圖

4.1原材料及配合比

(1) 原材料： 水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥； 粉煤灰采用三級灰； 砂采用Ⅱ區(qū)級配的中砂, 細度模數(shù)2.55,含泥量小于3% ； 碎石采用1～3 cm碎石。

CFG樁體混凝土設(shè)計強度等級為C10，每立方米配合比材料用量見表3。坍落度為30～50 mm。

表3　CFG樁配合比每立方米材料用量

經(jīng)過室內(nèi)抗壓強度檢測，7天強度為11.8 MPa，28天強度為16.9 MPa。

(2)充盈系數(shù)：理論灌入量由沉管外徑和樁長計算得出, 一般情況下充盈系數(shù)為1.1～1.2。

4.2施工

(1)樁機進入現(xiàn)場，根據(jù)設(shè)計樁長、沉管入土深度確定機架高度和沉管長度，并進行設(shè)備組裝。

(2)樁機就位，調(diào)整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1%。

(3)啟動馬達，沉管到預(yù)定標高，停機。

(4)記錄電流表上的電流一次，并對土層變化處予以說明。

(5)停機后立即向管內(nèi)投料，直到混合料與進料口齊平。混合料按設(shè)計配比經(jīng)攪拌機加水拌和，拌和時間不得少于1 min，如粉煤灰用量較多，攪拌時間還要適當延長。加水量按坍落度3～5 cm 控制，成樁后浮漿厚度以不超過20 cm為宜。

(6)啟動馬達，留振5～10 s，開始拔管，拔管速率為1.2～1.5 (m/min)(拔管速度為線速度，不是平均速度)。拔管過程中不允許反插。如上料不足，須在拔管過程中空中投料，以保證成樁后樁頂標高達到設(shè)計要求。

(7)沉管拔出地面。確認成樁符合設(shè)計要求后，用粒狀材料或濕粘性土封頂。然后移機進行下一根樁的施工。

(8)施工過程中，抽樣做混合料試塊，一個班組做一組(3塊)，試塊尺寸為l5 cm× 15 cm×15 cm，并測定28 天抗壓強度。

(9)施打順序采用隔樁跳打，并從一邊向另一邊推進的方案。

5　施工效果檢驗

CFG樁施工完成后后采用單樁復合地基載荷試驗、低應(yīng)變試驗、室內(nèi)土工試驗等手段進行了施工效果檢測。

5.1單樁復合地基載荷試驗

單樁復合地基載荷試驗共完成了22檢測點，試驗采用圓形承壓板，壓板面積為單樁處理面積，直徑為1.16 m，面積為1.06 m2，壓板下設(shè)50～150 mm厚中粗砂找平，試驗采用壓重平臺反力裝置，壓重一次性堆至預(yù)估最大試驗載荷的1.2倍以上，根據(jù)設(shè)計復合地基承載力特征值不小于150 kPa的要求，試驗堆載重量不小于360 kN。

根據(jù)載荷試驗結(jié)果，繪制壓力-沉降(p-s)曲線，取相對變形值取s/d等于0.01所對應(yīng)的壓力為復合地基承載力特征值，且不應(yīng)大于最大加載壓力的一半。

根據(jù)載荷試驗結(jié)果，22個點的載荷試驗在加荷至設(shè)計承載力2倍(300 kPa)時，最大沉降為8.56～35.84 mm之間，按照相對變形確定承載力特征值為159～300 kPa之間，按照最大壓力一半取值為150 kPa，所以滿足設(shè)計承載力150 kPa的設(shè)計要求，但是根據(jù)載荷試驗曲線分析，該復合地基承載力還有一定的潛力可以發(fā)揮，見圖3，典型載荷試驗曲線見圖4。

圖3　承載力特征值統(tǒng)計分析結(jié)果

圖4　典型載荷試驗曲線

5.2低應(yīng)變檢測

CFG樁施工完成后，隨機抽取10%的樁使用PIT樁基動測儀進行了樁身完整性檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，樁身波速值大部分在2000～2500 m/s之間，根據(jù)檢測曲線分析，受檢樁大部分Ⅰ類樁和Ⅱ類樁，也出現(xiàn)了少部分的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁。 典型低應(yīng)變檢測曲線見圖5。

根據(jù)檢測結(jié)果，受檢樁中，有少部分的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁，分析原因主要是兩個方面的因素：一個因素是由于振動沉管的施工工藝影響而產(chǎn)生，該施工工藝由于振動力較大，并具有擠土效應(yīng)，后施工的樁容易對已施工的樁造成水平向擠壓變形，雖然施工過程中采取了隔樁跳打的施工方法，還是產(chǎn)生了縮頸、斷樁等不良現(xiàn)象。另一個因素是為消除黃土的濕陷性，按照灰土擠密樁布樁原則進行設(shè)計，采用了較小的樁間距(只有不到2.5d)進行布樁。而對于采用擠土成樁工藝的CFG樁來說，合理的樁間距為(3～6)d，樁間距越小，對相鄰樁的影響越大，從而出現(xiàn)部分斷樁。

從上述因素分析，對于通過振動沉管施工工藝的CFG樁來消除黃土濕陷性，由于選擇較小的樁間距進行設(shè)計施工，出現(xiàn)部分的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁也是必然的，對于滿堂布樁的復合地基來說，只要將Ⅲ類樁和Ⅳ類樁控制在合理比例范圍內(nèi)，就不會對整個地基產(chǎn)生不利影響。

圖5　低應(yīng)變檢測不同樁身完整性試驗曲線

5.3樁間土濕陷性檢測

在CFG樁施工完成后，對樁間土采取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗分析，判斷樁間土的濕陷性是否消除。根據(jù)試驗結(jié)果，樁間土試驗指標見表4。

表4　樁間土試驗檢測結(jié)果

根據(jù)樁間土的天然孔隙比指標分析，土的密實性比打樁前有了較大提高，振動沉管的CFG樁施工工藝對樁間土有明顯的擠密效應(yīng)，處理后樁間土的濕陷性系數(shù)δs最大值只有0.002，完全消除了黃土濕陷性。

6　結(jié)論

(1)采用振動沉管施工工藝成樁的CFG樁，按照灰土擠密樁設(shè)計原則進行布樁，通過對樁間土的擠密效應(yīng)可以達到消除黃土的濕陷性的目的。

(2)相比柔性樁復合地基，同樣樁長的CFG樁可取得較高的地基承載力，并減少工后沉降變形。

(3)由于需要通過擠土效應(yīng)消除黃土濕陷性，CFG樁布樁間距較小，應(yīng)采用隔樁跳打的工藝進行施工，盡量減小對相鄰樁的影響。

(4)由于采用灰土擠密樁設(shè)計原則進行布樁，樁間距較小，CFG樁在振動沉管施工過程中，會有部分樁出現(xiàn)縮頸、側(cè)擠造成的斷樁現(xiàn)象，應(yīng)采用低應(yīng)變方法進行抽查，只要斷樁控制在合理比例范圍內(nèi)，對于滿堂布樁的復合地基不會發(fā)生其他不利影響。

(5)條件具備時，應(yīng)進行試樁，以確定消除黃土濕陷性的合理樁間距，盡量減少斷樁比例。

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Design Method of CFG Pile to Treatment of Collapsible Loess

LI Yun-zhong, ZHENG Jia-yu
(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd., Jinan 250001, China)

Abstract:In the paper, the vibrating sinking-pipe CFG pile is introduced to eliminate the collapsibility of loess, and to improve the bearing capacity of foundation soil. To eliminate the collapsibility of loess, CFG pile is carried out in accordance with the principle of lime-soil compaction pile design method to compact the soil between piles. Due to the pile spacing is small, CFG pile is constructed by the principle jumping every other pile to reduce the influence on adjacent pile. According to the test results after construction, the collapsibility of loess is completely eliminated, and the bearing capacity meets the design requirements.

Key words:CFG pile; Collapsible loess; Bearing capacity of foundation soil.

中圖分類號：TU4

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0011-05

* 收稿日期：2015-05-14

作者簡介：李允忠(1973- )，男，山東德州人，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程工作。